摘要：为了适应新工科建设的新要求，设计了一种适应本科生工程实践训练的六足机器人实验平台。此实验平台结合机械、电子控制等学科知识，实现学科交叉融合的人才培养要求。六足机器人形象生动，寓教于乐，易于激发学生参与兴趣，能够有效提高学生的动手能力及工程实践技能。
关键词：六足机器人；实践教学；实验平台
近年来，各高校都在积极推进新工科教育改革[1]，加强学科交叉人才培养，以适应新形势下社会对工程技术人才的需求。为了提升本科生的大工程观，特别是工程实践能力[2-3]，西安交通大学实践教学中心在本科生实践教学活动中，引入具有趣味性，易于激发学生训练兴趣，综合机械、电子控制等学科的仿生机器人作为实验平台，在教学过程中获得了良好的效果。仿生足式移动机器人具有丰富的步态和精细的肢体结构，运动灵活、可靠性高。相比于常规的轮式或履带式机器人，足式机器人能够适应荒漠、草地、碎石岗、浅滩、湖泊等复杂环境。在足式机器人研究中，足少会有平衡性问题，足多则控制复杂度高，综合评估得出六足机器人是能够适应崎岖地形的最合适研究对象。六足机器人稳定性较强，具备较强的越障能力，多种步态组合能够适应多种崎岖地形。基于此，本文设计了一个适应崎岖地形的小型六足机器人运动控制实验平台(简称实验平台)，使其能够完成对草地、沙地、碎石岗等复杂环境的探索。
1实验平台组成
实验平台主要包括动力系统、主体结构、供电系统、控制系统四大部分[4]。图1为小型六足机器人的整机结构，其主体结构是由环氧树脂板拼接搭建而成的，实物搭建过程中需要关注的问题是整机密封防水的设计；供电系统主要是为动力电机、拉线电机、LED灯、控制器等供电，包括电池、电量显示模块、继电器开关板、充电口；控制系统主要包括硬件选型和电路连接，控制系统建立过程中需要考虑动力电机控制、拉线电机控制、图像传输系统控制和遥控测试方案。
2实验平台供电设计
小型六足机器人需要供电的部件较多，且动力电机过电流较大，因此必须设计稳定可靠的供电系统，为整个机器人的动力系统和控制系统供电[5]。小型六足机器人供电系统示意图如图2所示。由于小型六足机器人需要控制6个动力电机和6个拉线电机，电机的过电流较大，因此选择了25C的航模电池，可承受100A电流。为避免大电流对人造成伤害，使用继电器开关板对电源系统进行隔离控制，6个动力电机分两组接入2块M3508中心板进行供电，6个拉线电机接到3个L298N驱动模块。TX2与STM32F407都是5V供电，需要利用直流稳压模块将24V电源转换为5V。开关板自带电压转换模块，将24V电源降为5V并用作开关控制，从而达到小电流控制大电流的目的。所有供电通道都为常闭状态，由总开关控制5V电源通道，总开关闭合时，所有供电打开；总开关断开时，所有供电断开。
3实验平台控制实现
小型六足机器人控制系统如图3所示，主要是由主控制器、协主控、上位机(获取视频信息)、遥控器(便于测试)、六轴加速度传感器、动力电机、电调、拉线电机、电机驱动器组成[6]。主控制器主要负责根据传感器的数值或者遥控器指令控制六足机器人的运动；协主控主要负责收集摄像头采集的信息并通过Wi-Fi将其传送至上位机，在测试过程中协主控还负责给上位机回传机器人的位姿信息、电机位置和转速信息，从而完成产品调试和检测。
3.1主控制器
小型六足机器人需要控制12个电机，对控制器要求较高。小型六足机器人最终选择STM32F407开发板作为主控制器，STM32F407有2个板载CAN接口，能够轻松控制6个M3508动力电机[7]；还有板载六轴(陀螺仪+加速度)传感器芯片，为小型六足机器人的姿态测试提供反馈数据；16个定时器，144个引脚，丰富芯片内嵌资源，方便了拉线电机的编码器位姿控制。此外，板上丰富的通信接口，方便了小型六足机器人主控制器与协主控之间的通信和遥控器的控制。
3.2电机驱动器
小型六足机器人的动力电机为M3508直流减速电机，其配套的控制器为C620电调(电机调速器)。C620电调支持PWM控制和CAN通信控制，为精确地控制六足的步态相位，选取CAN总线控制方法。C620电调支持总线上快速设置ID并且支持通过CAN总线获取电机温度、转子位置和转子转速等信息。6个M3508动力电机需要6个C620电调但仅需1条CAN总线就能实现对6个电机的控制。拉线电机控制较为复杂，其自带的AB相编码器接入控制器，可以读取并计算电机的转向、转速和转圈数(电机带90∶1减速器，即编码器返回一次高电平电机转动1/90圈)。电机的驱动控制是通过L298N模块实现的，L298N模块能够实现电机的正转、反转、制动和掉电四个状态，具体位置控制通过主控板逻辑程序实现。
3.3C型足运动学仿真
小型六足机器人能够适应崎岖地形的关键是设计了一套C型足，其结构和运动学模型如图4、图5所示。根据C型足运动学模型，可得六足机器人的直线运行速度和震动速度表达式：为使机器人前进时速度平稳一些，三角步态控制过程中不会是简单的匀速控制。结合本实验机器人的支撑相位角为60°，时间占比1/2，摆动相位角300°，时间占比1/2，动力电机输出角速度应从支撑相开始时减速至支撑相中位值后加速，支撑相结束后依然加速达到摆动相中位值后减速，减速至支撑相开始完成一个周期，可以看出动力输出电机角速度拟合后会使小型六足机器人的行进速度更加平稳。从图6拟合后速度曲线可以看出，六足的行进速度变化量只有0.025m/s。输出轴心在Z轴方向上的速度曲线变化不大，说明非匀速电机控制并不会使机器人抖动加剧，反而使得机器人平稳运行。
4实验平台效果
将小型六足机器人的动力系统装入壳体，选择刚性足装到电机输出轴，按照其硬件布线表装入主控制器、协主控、相机、遥控器等，完成布线后样机如图7所示，控制流程如图8所示。实验过程中，学生可以在不同路面情况下进行测试，如图9所示，六足机器人能够在平地、草地上正常行走，此外还可测试其上下台阶的性能。整个实验将设计性和趣味性融为一体，学生的动手实践体验较好，很容易激发学生的参与兴趣[8-9]。
5结语
实践教学历来都是各高校非常重视的人才培养环节，设计出能够激发学生兴趣、吸引学生主动参与的实践项目是实验教师一直思考的问题。本文介绍的实验平台，将相应的机械加工、电子控制、调试测试等环节融入整个实验过程中，寓教于乐，使学生在完成整个实践活动后，能够得到很好的项目锻炼体验。
作者：李党超 朱爱斌 李昊城 单位：西安交通大学实践教学中心 西安交通大学机械学院